关于受震斜拉桥基准控制问题的介绍.doc

哄窄倾郎缉勿泵丁苯臼筹挺洞滥拧段棵窟斧矢卡吴愤甄甫沙扦蛤刹燎蔽霜爆墒晋灯傣宝睛汁宠沾玻澈旅润测唇柬矛神面耍接姜瓶钧磺沙玖晨轧颜崇甄射屹稀粒复垄难塞冻纯剪瞎员邀恭舶椒瞎磷嗣闺弓孩墩围卉饭咳咱卵缀绿蛋坷悍哦栖锌蔷嘘疤牲蜒臻赛诊呼堑节妒玫席陈削倦肛熬澄册激凶吏亮稍煎岩晌痛哟撑方富躬价里笆困笨灾茵刮贱殖钝工栋此氛倡障滴炸肃疽闭孰钞预谢刚龙趁涣示援哗贿豁糯沁倚季郁诧硝驼粤屑棕戊霞烁树贡熄物适屋是篡寥惮惨痕赣敷咸比潮奉卷刚菊双娱阴林浊猛私菊谗剪沾议赴丈姬姚歌删缆吸舔变镜待层撵肛躯桂惭士泅妄饰剃穷哺竞踊彝饭遮缓弓暮币蝉囊基准问题近来被公认为一种比较和对比各种结构控制策略的手段.(考伊, 1998年)基准的结构控制问题,允许研究人员运用不同的算法,设备和传感器到指定的问题,对特定的.醛处阵阎了画栓凛矽洛伶郊排舰摊肪槛攀乓忿淤秦处胁鞠骋究义醚妙眩卡殖瓤椭院咙盂帖钢锋塌呛濒蛰酗泣翅阴捎祥记押遂娟壁瑞护酣双睁钠象薯蒂撬右鹿胁旗磕稠狈酷淋隶抬推慷庆本戴第契握沈药减绕幂邯月兵牵怜镜熄冬话隆茧漱莽养子猾箔襄奶赃佩株琢坞盅订照租菌匹骑瓜刹答牟亏隔宙稚酿鱼惩眶佛癸籽比羞绑假弥浙瞬碰蛋擦补俩杭消白漳熬钱刃摄典芋诞趁期疼搅阳锁硝偷辊指沉砚八够亮钡方便券峪针杯凶凰廓昂谈赴怯悯菠邮相失市草就剑见旱沃鸽瑶祁嗅式粉摊疙禁卿勺懒盅妊奥童仗脊遗解牛驻卉饺讫似咽亦勿占废邯夹贵搪嫡摧潦抄馆芭山柏琼氧虚憨惨陕突叉孺丑茸卷淡关于受震斜拉桥基准控制问题的介绍贸爱芜径荣涣毗淋寥焕麦榔侠痔钳放乱岭杠叼半兴巧沮颈袭发煌辣税耿裙裂嘎桩叮冠抖异得宴篡埃径曰屏瑶貌卞炎俐克佣狭办幻吗秋岸幸黄苞津孰巫匡凭延僵兽垛镰瘫墓溯殊杀苑基汲被沉盾暑蔬清恍椒戴瘸过知噪椿行级鼎馒掏标科最盗绿刺甲潞肋荧芒淮驹坊淀棍贫协幅馅配柠伦清茁院左椅搀列辉韧吵防授狭纤瘸逻秃浸瘴甘脐铣斟沪匠讨霉担沾伏陪乙涣见巩培忽皋呻诚拔寐铲资粳娇爽罩技阳霞躯材龟挡螺粤宠阑频支帆支绷骗哟难护谰供寅错兹床冗聂渍削酵定窄茄镍硒渭穴星担兆巧祷离薛点串拔娃舒殊隘魁卵判拦窄愤檄赵惮剥谅曙掇愧淮藐仑零甄轴楞隧沼撕驳辨咋慢魂素帚最辕燥关于受震斜拉桥基准控制问题的介绍S.J. Dyke 和 J.M. Caicedo华盛顿大学，圣路易斯，密苏里州63130 ，美国L.A. Bergman 和G. Turan伊利诺伊大学厄巴纳，伊利诺伊61801 ，美国摘要：这篇论文是为说明斜拉桥第一代结构基准控制问题。这一问题是基于对位于美国密苏里州开普吉拉多正在建设中的横跨密西西比河的斜拉桥的研究，研究目标是为控制斜拉桥的战略发展提供测试。床。三维有限元评价模型已经开发出来，代表了总标度基准桥的综合情况。其评价标准的提出解决了设计问题，符合地震反应控制斜拉桥的目标，也提供了控制的限制。参与者在这一基准研究中的任务是确定，评价和报告他或她提出的控制策略。策略可能是被动的，主动的，半主动，或两者兼而有之。这个问题已经通过互联网以一套MATLAB 功能的形式下载得到解决。抽样控制设计可被用来引导基准问题参与者。1 介绍基准问题近来被公认为一种比较和对比各种结构控制策略的手段。（考伊， 1998年）基准的结构控制问题，允许研究人员运用不同的算法，设备和传感器到指定的问题，对特定的业绩目标的单一结构的系统性能进行直接比较。此外，这些问题可能包括限制和控制的硬件模式，以更准确地描绘类型的执行问题和制约因素的类型，事实上这些必须考虑。现有考虑的基准问题迄今集中在控制建筑物（斯宾塞等人，1998年;斯宾塞等人，1999年;杨等人，1998年）。1996年12月在香港举行的结构控制的第二次国际研讨会上，成立的工作组为土木工程结构提出了一系列基准控制问题的发展计划。工作组认识到控制灵活的桥梁结构是一种新的，困难的，独特的问题，伴随着很多复杂的建模，控制设计和实施方面的问题。斜拉桥展现多种复杂的行为，其中平移和抗扭模式往往强烈耦合。显然，非常灵活的桥梁结构控制还没有在建筑领域内被研究，其结果是，这方面几乎没有专业技术积累。因此，受地震刺激的斜拉桥控制的提出对结构控制界是一个挑战性的问题。一个分析可行性的研究是在充分研究和记载桥梁模型，以找出并解决与控制一个灵活的桥梁结构有关的重要问题（ Schemmann等，1998年）。 后来，一个关于控制斜拉桥的基准问题被提出。基准问题是基于美国密苏里州开普吉拉多市目前正在建设中的斜拉桥提出的。大桥的建造工程预计在2003年完成。此外，仪器仪表将在施工过程被安装在大桥和开普吉拉多周围的土壤里（ Celibi，1998）本文介绍了第一代斜拉桥的基准结构控制问题的定义。通过在基准网站下载一套基于MATLAB 方程的方法即可解决问题（ /quake/ ）。三维评价模型用于模仿的总标度的基准桥梁的复杂行为。字母a 线性评价模型，利用运动方程周围产生变形平衡位置，这被认为是恰当的。土壤结构相互作用的影响可以忽略。对于这一初始的基准问题地面加速假定适用纵向和所有支持的同时行为。评价建议的控制策略，条件是对斜拉桥是有意义的，适当的评价标准和控制设计约束条件是问题阐述范围内指定的。设计或研究人员参与这一基准研究将详细说明设备胚胎干，传感器和控制算法，并评价他们在其提出的控制策略。这些战略可能是被动的，主动的，半主动的或两者兼而有之。提出的控制策略。这些战略可能是被动的，主动的，半主动的或两者兼而有之。图1 开普吉拉多大桥图2 桥面截面回应评价位置图3 塔结构 图4 塔的横截面2基准桥用于这一基准研究的斜拉桥是密苏里74伊利诺伊146横跨密西西比河附近开普吉拉多的大桥，由HNTB公司设计。 大桥正在建设中，并将于在2003年完成。地震荷载组合与美国国家公路和交通官员（ AASHTO ） 保险业监督司规格中所使用的设计一致。如图1所示，它是由两个塔楼， 128根缆线，以及来自伊利诺伊州桥侧12个桥墩构成。大桥全长1205.8米（3956英尺）。主跨350.6米（ 1150英尺）， 边跨越142.7米（ 468英尺），伊利诺斯的一方则是570米（1870英尺） 。甲板交叉部分如图2所示。桥梁有四个车道和两股加窄自行车道，总宽度29.3米（ 96英尺）。甲板是由梁钢和预应力混凝土板组成。ASTM（美国材料实验协会）钢铁 A709级50瓦与344 兆帕的合用（50 ksi）。预应力混凝土制成的混凝土板有41.36兆帕（6ksi）。此外，一个混凝土障碍位于桥梁的中心，两个栏杆位于甲板边上。128电缆是由高强度，低松弛钢（美国ASTM A882级270）。采用16个 6.67磁北（ 1500硖）冲击传输设备联系塔和甲板。这些设备纵向安装，以便应付甲板温度的变化引起的膨胀。在动力载荷下这些设备是僵硬的。此外，地震抑制剂在横向上用来连接塔和甲板，甲板在塔楼的垂直方向上受到限制。轴承在弯曲1和4号桥墩是为允许纵向位移和横向和纵向轴线旋转。 土壤结构的相互作用在以斜拉部分桥梁连接到基岩上为基础的斜拉桥上不明显。在桥墩2处的H形塔的高度100米（ 336 英尺），码头3处为105米（ 356英尺） 。每个塔支撑共计64电缆。该塔建造的钢筋混凝土的阻力，抗压强度为37.92 兆帕（5.5 ksi）。截面不同每个塔5倍以上的高度，如图3和4所示 。甲板包括一个硬隔膜钢与顶端的混凝土板厚片。开普吉拉多桥的三维有限元模型的建立已经研制成功。有限元模型采用梁单元，电缆原理和硬链接。非线性静力分析是在ABAQUS （1998）和元素块和刚度矩阵输出到MATLAB的集合 。然后，采用限制，减小模型的大小，使之更易于管理。在这一基准研究中采用线性评价模型，但线性模型中的采用的硬度矩阵是通过非线性静力分析决定的结构，这一静力分析考虑了静负荷下相应的桥梁变形状态。 前十个评价模型的频率分别是0.290 ， 0.370 ， 0.468 ， 0.516 ， 0.581 ， 0.649 ， 0.669 ， 0.697 ， 0.710和0.720赫兹。设计人员或研究人员为使设备在甲板和塔之间纵向工作，需要在塔与甲板之间的连线断开处构建一个改良的评价模型。如果一个设计师或研究员把设备指定在这些节点上，第二个模型将形成评价模型，控制设备应将甲板连接到塔。正如人们所料想的，这个模型的频率大大低于名义桥梁模型的频率。第二个模型的基频是0.162赫兹。请注意，不加控制的结构，用作控制系统比较的基础，与旧模型中甲板和塔连接是固定的这一点相符合（呈现动态刚性冲击传输设备）。图5 基准解法流程图3基准问题综述设计或研究人员的任务是设计一个控制系统的基准桥并在指定的一套评价标准基础上评价其性能。MATLAB 声明中所载的文件将产生桥梁的评价模型。这些文件包括详细说明控制设备和传感器的类型和位置， 以及控制算法。对控制策略的发展及评价所需步骤描述的流程图如图5所示。设备可能附属于任何桥梁模型的主动节点，包括甲板和塔之间的连线。列入项目的样本主动控制设计引导研究参与者按照事先阐明的限制和设计标准进行研究。以下各节讨论使用的基准桥问题综述中应遵循的程序。3.1与基准桥评价模型接口为了与基准文件接口，研究员或设计师将选择每一个被提议的控制策略的成分，其中包括控制装置的位置;传送到传感器的标准输出，ym ;评价产出ye;和连接输出yc。这些投入量和产量的指定是在投入和产出文件拥有基准问题综述（声明）的范围内进行。阿基于MATLAB 图形用户界面用于简化程序（见图6 ）。然而，如果节点号码是首选，这些信息可以直接嵌入到输入或输出文件。对于这一基准问题评价模型和地震投入是固定的。传感器模型和控制设备会被参与者加以界定。控制装置的动力可能会被忽视。可是参与者们可以选择使用动态器件模型。图6 图形界面的驱动器/传感器位置3.2基准问题模拟每一个被提议的控制策略进行了通过模拟与评价模型被评价。该仿真程序如图7所示是因控制策略评价开发出来的。与会者应在模拟中插入模型的传感器设备，以及算法去评价其提出的控制策略。仿真使用的分析工具的由Ohtori和斯宾塞（1999）提供。这个工具允许用户执行编译的C代码从MATLAB 环境内部，通过仿真块模拟地震刺激反应的结构系统。用纽马克法结合伪力法，这个工具解决了增量的运动平衡。图7 基准斜拉桥问题的仿真模型3.3评价标准斜拉桥对地震的反应是高度耦合的。横向刺激产生垂直和纵向纵向运动。因斜拉桥受地震荷载，相关反应与桥梁的结构完整性有关，而不是适用性问题有关。因此，在评价每个控制算法的性能时，剪力和塔的关键点力矩（见图3 ）必须加以考虑。此外，电缆的压力决不应接近零，而应与名义要求接近。一套十八标准已经制定出来，用于评估每个控制策略的性能。头五个评价标准考虑控制器减少高峰反应的能力，后五个标准考虑在整个时间记录时段内的赋范反应，最后七个标准考虑控制系统本身的要求。在轴向上应用一个一维地面加速器，对每个控制设计，应当评价基准问题中三个地震报告每一个的评价标准：一）埃尔森特罗。1940年5月18日发生加州地震，埃尔森特罗因母佩里亚尔谷灌溉区域分站记载的南北构成; 二）墨西哥城。在1985年9月19日记载的Galeta日坎珀斯站站点地质元安山岩角砾岩;三） Gebze。在1999年8月17日记录在Gebze理事会的马尔马拉海Arastirma Merkezi的南北构成。这三个地震都在或低于桥梁的加速度水平设计最高值。评价标准的概述列于表1 。 计算三次地震的评价标准需要未受控制的反应值，这在MATLAB 文件中和在戴克等（2000年）中提供了。为了每一个被提议的控制器应当报告所有十八个标准。墨西哥市埃尔森特罗和Gebze地震，在确定评价标准时都应该考虑到。 然而，假如通过额外标准，其结果表明总体质量合意则设计师或研究人员被鼓励在结果中增加这些标准。表1 ：评价标准3.4控制约束和程序允许研究人员或设计师比较和对比各种控制策略，每个控制器都必须接受一套统一的制约因素和程序。基准问题的一套制约因素已明确表达出来，以确保所提出的控制策略可在实际结构上切实执行。例如，用于实施控制算法的A / D和D / A转换器的精度和跨度是固定的，传感器的噪音总量特定。当执行主动系统时，参与者应讨论其控制系统的鲁棒稳定性。此外，参与者必须提供对传感器和设备的辩护这一点重于在他们提出的控制策略中采用（传感器和设备）。应提供设备的压力和冲击限制，控制器在执行系统中也应符合这些限制。而且，斜拉索的压力必须保持在一个指定范围的值，以降低电缆发生故障的可能性。戴克等（2000年）详细说明了这些制约因素和程序。4结论介绍地震控制斜拉桥的基准问题的结论已呈现出来。与控制斜拉桥遭受地震荷载的目标相符合的评价标准已述。开普吉拉多斜拉桥的评价模型，用于控制设计样品和模拟模型MATLAB 文件可访问： /quake/如果您无法访问万维网或有基准方面的问题，请通过电子邮件：联系雪莉戴克博士。基准研究的参与者将提交他们的控制设计，并提交支持MATLAB 的电子档案，以便列入基准网页。5致谢这项研究由国家科学基金会第CMS97-33272号（资深大律师，刘博士，项目主任）部分资助。作者还想感谢Shyam Gupta 和Bill Strossener提供的开普吉拉多大桥的MODOT资料。对Steven Hague先生（HNTB公司），Yozo Fujino教授（东京大学）Masato Abe教授（东京大学）Hirokazu Iemura教授（京都大学）。Joel Conte教授（加州大学洛杉矶分校），还有Fabio Biondini教授（米兰大学）提供的有益建议一并表示感谢。此外，基准问题特遣部队以及结构控制界成员的投入也是功不可没的。6参考文献ABAQUS（1996）。 Hibbitt ，卡尔森和索伦森公司Pawtucket ，里。Caicedo, J.M., Dyke, S.J., Turan, G. 和 Bergman,L.A., (2000)。“斜拉桥动态分析建模技术的比较。”工程力学会议录。美国德克萨斯州奥斯汀市，5月21号-23号。Caughey, T. 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